硅基力敏傳感器是指以硅（單晶或多晶）材料為基礎(chǔ)，利用MEMS工藝，其特性參數(shù)受外力或應(yīng)力變化而明顯變化的敏感元件制成的傳感器。這里的力包括重力、拉力、壓力、力矩、壓強(qiáng)等物理量。力敏傳感器包括力傳感器、壓力傳感器、差壓傳感器、液位傳感器等。

　　硅基力敏傳感器是工業(yè)上應(yīng)用最多、最廣的傳感器之一，其技術(shù)水平、產(chǎn)品水平、應(yīng)用水平、產(chǎn)業(yè)化水平受到業(yè)界的極大重視和關(guān)注，它代表著力敏傳感器發(fā)展的趨勢和方向。
 

圖1、硅電容壓力傳感器產(chǎn)品

　　硅壓阻壓力傳感器

　　硅壓阻壓力傳感器是采用硅壓阻原理，利用單晶硅良好的機(jī)械性能和電學(xué)性能，通過擴(kuò)散或離子注入工藝將對壓力敏感的電阻注入到感壓薄膜中，實(shí)現(xiàn)感壓元件和轉(zhuǎn)換電路的集成而制作的傳感器。其特性評價(jià)如下：

　　線性好 硅壓阻壓力傳感器，輸入和輸出之間存在著良好的線性關(guān)系，由于硅壓阻壓力傳感器通常有四個(gè)力敏電阻組成全橋式的惠斯登橋路，四個(gè)電阻雖都受到橫向壓力，且有相似的非線性特性，但構(gòu)成全橋時(shí)，非線性特性可相互抵消，因此非線性可以做得很小。

　　制作工藝兼容 該傳感器制作工藝相對簡單，且MEMS工藝與IC工藝兼融，成本相對較低。

　　通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可提高性能 利用芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其靈敏度可以做得很高，實(shí)現(xiàn)微、低壓力的測量。利用“雙島結(jié)構(gòu)”可實(shí)現(xiàn)10Ka的硅微壓傳感器，利用“梁膜結(jié)構(gòu)”可實(shí)現(xiàn)1Ka的硅微微壓傳感器。利用硅壓阻壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)隔離膜片充液封裝，提高硅壓阻壓力傳感器的可靠性和穩(wěn)定性。

　　工藝成熟 硅壓阻壓力傳感器制作工藝成熟，生產(chǎn)廠家通常提供恒流、恒壓供電的溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

　　缺點(diǎn) 從原理上講，硅壓阻壓力傳感器是以硅材料為基礎(chǔ)的物性型傳感器，硅材料受環(huán)境溫度影響較大，會(huì)產(chǎn)生很大的零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度溫度漂移，且形式多樣，對提高器件的穩(wěn)定性很不利，同時(shí)硅壓阻壓力傳感器必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則工業(yè)上很難應(yīng)用；建立一套完整的溫度補(bǔ)償技術(shù)，不僅增加成本，同時(shí)也增加了人力資源，從某種意義上來說，極大地限制了硅壓阻壓力傳感器的廣泛應(yīng)用。硅壓阻壓力傳感器的典型技術(shù)參數(shù)如表1所示。
 

　　表1、硅壓阻壓力傳感器的典型技術(shù)參數(shù)
　　注：準(zhǔn)確度包括遲滯、重復(fù)性和非線性（最小二乘法）；
　　沒有其它說明，所有測試值均相對25℃，1mA恒流；
　　零點(diǎn)溫度系數(shù)和靈敏度溫度系數(shù)均為補(bǔ)償溫度后指標(biāo)。

　　電容壓力傳感器是以硅材料為基礎(chǔ)，采用電容原理，即利用電容極間距變化將壓力轉(zhuǎn)換為電容變化，由MEMS工藝制作的傳感器。硅電容壓力傳感器特性評價(jià)如下：

　　穩(wěn)定性好 硅電容傳感器是一種結(jié)構(gòu)型傳感器，就檢測原理而言，其穩(wěn)定性優(yōu)于物性型傳感器，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度保證了該類傳感器的穩(wěn)定性；結(jié)構(gòu)工藝采用全硬封固態(tài)工藝，硅-玻璃-金屬導(dǎo)壓管采用靜電封接，減少了用膠封等引起的應(yīng)力、滯遲和變差；電容對溫度不靈敏，溫度附加誤差小，不需象硅壓阻器件那樣進(jìn)行復(fù)雜的溫度補(bǔ)償。穩(wěn)定性好是硅電容傳感器深受用戶好感的主要原因之一。

　　指標(biāo)先進(jìn) 電容傳感器本身具有小功率、高阻抗、靜電引力小、可動(dòng)質(zhì)量小、發(fā)熱影響小的特點(diǎn)，并可進(jìn)行非接觸測量。硅電容傳感器綜合性能指標(biāo)如非線性、過載、靜壓、可靠性等性能優(yōu)于硅壓阻傳感器、陶瓷電容傳感器、金屬膜片電容傳感器。它與硅諧振傳感器相當(dāng)，特別是用戶追求的非線性指標(biāo)，通常硅電容傳感器的非線性優(yōu)于0.05％FS的成品率大于60％。

　　適合批量生產(chǎn)，成本低 硅電容傳感器利用MEMS工藝制作，芯片尺寸為3mm×3mm，一個(gè)4寸硅片可制作幾百個(gè)元件。產(chǎn)品的工藝性好，性能一致，適合批量生產(chǎn)，低成本運(yùn)行。其制備工藝與IC工藝兼容，工藝裝備無須象硅諧振傳感器的工藝裝備那樣昂貴和復(fù)雜，也無須象金屬膜片電容傳感器那樣單件制作，保證了硅電容傳感器具有高的性能價(jià)格比。

　　主要問題 因其檢測原理是采用電容極間距變化，而這種極間距變化本身是非線性的，為了改善非線性，開發(fā)出較為復(fù)雜的芯體結(jié)構(gòu)，如接觸式、變面積與變極距相串聯(lián)等結(jié)構(gòu)。另一個(gè)問題是要解決微弱電容信號(hào)的檢測問題。

硅電容壓力傳感器的典型技術(shù)指標(biāo)如表2所示。
表2、硅電容壓力傳感器技術(shù)指標(biāo)

　　硅諧振壓力傳感器

　　硅諧振壓力傳感器是以單晶硅為基礎(chǔ)材料，采用諧振原理即諧振梁的固有頻率隨施加軸向力的改變而變化，用MEMS工藝制作的傳感器。硅諧振傳感器的性能主要處決于諧振梁的品質(zhì)因素和量規(guī)因素。機(jī)械品質(zhì)因素反映諧振梁振動(dòng)過程中能量損失情況，而量規(guī)因素則反映了諧振梁在特定固有頻率點(diǎn)對壓力的敏感程度。一般是將諧振梁密封在真空中來提高品質(zhì)因素，而通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)來提高量規(guī)因素。以下是對硅諧振傳感器的特性評價(jià)：

　　輸出信號(hào)為數(shù)字量，無須經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換，可方便地與微機(jī)接口 這是由于硅諧振傳感器在單晶硅芯片表面上采用MEMS技術(shù)，在中心和邊緣做成兩個(gè)形狀、大小完全一致的H型諧振梁，且處于真空腔中，既不與充灌液接觸，又確保振動(dòng)時(shí)不受空氣阻尼影響。諧振梁分別將壓力、差壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，這樣傳感器直接輸出頻率信號(hào)，簡化與數(shù)字系統(tǒng)接口。

　　靜壓影響可忽略不計(jì) 當(dāng)加有靜壓（工作壓力）時(shí)，兩形狀、尺寸、材質(zhì)完全一致的諧振梁形變相同，頻率變化也一致，由靜壓引起的偏差自動(dòng)抵消。

　　測量精度高，穩(wěn)定性好 硅諧振壓力傳感器的測量精度和穩(wěn)定性主要取決于測量原理、結(jié)構(gòu)機(jī)械特性、制備工藝、所用材質(zhì)等因素，由于硅諧振壓力傳感器在膜盒組件內(nèi)設(shè)置了特性修正存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)了傳感器的環(huán)境溫度、輸入輸出特性、靜壓等數(shù)據(jù)，對每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)可進(jìn)行修正補(bǔ)償，因而獲得高的精度和穩(wěn)定性。

　　單向過壓特性優(yōu)異 由于隔離膜片和膜盒本體采用獨(dú)特的波紋加工技術(shù)，當(dāng)單向壓力增大到一定數(shù)值時(shí)，隔離膜片與本體完全接觸，起到保護(hù)作用。

　　存在的問題 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，成本高，從性能價(jià)格比看，并非最優(yōu)。在應(yīng)用硅諧振傳感器時(shí)，為實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自激振蕩，應(yīng)先解決檢測敏感元件微弱信號(hào)的檢測問題，采用“組合敏感”原理，可較好解決這一問題，但線路較為復(fù)雜。

硅諧振壓力傳感器的典型指標(biāo)如表3所示（參考）。
表3、硅諧振壓力傳感器典型指標(biāo)（參考）

　　上述介紹了三種典型的硅基力敏傳感器，采用這些傳感器生產(chǎn)的變送器，目前國內(nèi)均在批量生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于自控領(lǐng)域。變送器的特性與采用的傳感器的特性有很大關(guān)系。(end)

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